Simulation quantique du modèle XY dipolaire en utilisant des matrices d'atomes de Rydberg

Quantum simulation of the dipolar XY model using arrays of Rydberg atoms

• Auteur / Autrice : Guillaume Bornet
• Direction : Antoine Browaeys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Optique Quantique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Mark Oliver Goerbig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clément Sayrin, Martin Robert de Saint Vincent, Monika Aidelsburger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Sayrin, Martin Robert de Saint Vincent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Atomes

Atomes froids

Pinces optiques

États de Rydberg

Simulation quantique

Mots clés libres

Modèle XY

Atome de Rydberg

Simulation quantique

Pince optique

XY model

Rydberg atom

Quantum simulation

Optical tweezer

Résumé

Les matrices d'atomes de Rydberg sont des plateformes prometteuses pour la simulation quantique de modèles de spin. Cette thèse résume le travail accompli au cours de mes quatre années de doctorat, en se concentrant sur l'étude du modèle XY dipolaire. La thèse est divisée en trois parties. Dans la première partie, je décris les principes de fonctionnement de la plateforme et détaille les diverses améliorations que nous avons apportées. La deuxième partie se concentre sur l'étude de l'état fondamental du modèle XY en utilisant diverses géométries 2D. La troisième partie présente nos études sur la dynamique hors-équilibre du modèle XY.Notre simulateur quantique est basé sur le piégeage et le refroidissement d'atomes individuels de Rubidium dans un réseau de pinces optiques. Une fois piégés, ces atomes sont excités dans des états de Rydberg, permettant de fortes interactions dipôle-dipôle entre eux, ce qui permet ainsi l'implémentation de modèles de spin tels que le modèle XY. Récemment, nous avons développé une méthode combinant des impulsions micro-ondes et des faisceaux d'adressage optique pour manipuler l'état de chaque spin. Cette méthode nous permet d'effectuer des rotations locales des spins qui a pour but : soit de préparer le système dans un état spécifique, soit de mesurer les corrélations entre les spins dans des bases différentes.En combinant notre récente capacité à effectuer des rotations locales avec une procédure adiabatique, nous avons préparé les états d'énergie les plus bas et les plus élevés du modèle XY dipolaire dans des réseaux carrés bidimensionnels. Nous avons caractérisé ces états et démontré qu'ils possèdent un ordre ferromagnétique et antiferromagnétique complexe. En particulier, nous avons évalué le rôle joué par la relative longue portée des interactions dipolaires, qui décroissent en fonction du cube de la distance. Nous avons montré que ces interactions modifient les propriétés des états ferromagnétiques et antiferromagnétiques, conduisant à un ordre à longue portée dans le premier cas et introduisant de la frustration dans le second. Nous avons également poursuivi notre exploration du modèle XY dans son état fondamental en utilisant des géométries fortement frustrées telles que les réseaux de Kagome. Les travaux théoriques ont prédit que l'état fondamental de ces systèmes pourrait être une phase exotique de la matière appelée liquides de spin. Je présente nos premiers résultats vers la réalisation et la caractérisation de ces phases exotiques.Enfin, nous avons étudié la dynamique XY d'états hors-équilibre. Nous avons d'abord démontré que, comme prévu par des travaux théoriques récents, le modèle XY dipolaire peut produire des états dits de « spin squeezing ». Ces états sont particulièrement intéressants dans le contexte de la métrologie quantique, car ils peuvent améliorer la sensibilité des mesures. Nous avons caractérisé ce « squeezing », montrant que son gain métrologique augmente avec la taille du système. Nous avons également proposé différents protocoles pouvant être utilisés pour des applications métrologiques. En utilisant une méthode de spectroscopie hors équilibre appelée « quench spectroscopy experiment », nous avons mesuré la relation de dispersion du modèle XY dipolaire, révélant un comportement caractéristique prédit par les travaux théoriques. Cette méthode est relativement générale et peut donc être appliquée à d'autres plateformes de simulateurs quantiques présentant différents modèles de spin.

Arrays of Rydberg atoms have proven to be a promising platform for the quantum simulation of spin models. This thesis summarizes the work accomplished during my four years of PhD, focusing on the study of the dipolar XY model. The thesis is divided into three parts. In the first part, I describe the working principles of the platform and detail the various upgrades we performed. The second part focuses on the study of the ground state of the XY model using various 2D geometries. The third part presents our studies of the XY quench dynamics.Our quantum simulator is based on trapping and cooling individual Rubidium atoms in an array of optical tweezers. Once trapped, these atoms are excited to the Rydberg state, allowing for strong dipole-dipole interactions between them, thus enabling the implementation of spin models such as the XY model. Recently, we developed a method combining microwave pulses and optical addressing beams to manipulate the state of each spin. This method allows us to perform local rotations of the spins, either to prepare the system in a specific state or to measure cross-basis correlations between the spins.Combining our recent ability to perform local rotations with an adiabatic procedure, we prepared the lowest and highest energy states of the dipolar XY model in 2D square arrays. We characterized these states and demonstrated that they exhibit complex ferromagnetic and antiferromagnetic order. In particular, we assessed the role played by the relatively long-range tail of the dipolar interactions, which decay as the cube of the distance. We showed that these interactions modify the properties of the ferromagnetic and antiferromagnetic states, leading to long-range order in the former and introducing frustration in the latter. We also continued our exploration of the ground state XY model using highly frustrated geometries such as Kagome arrays. Theoretical works have predicted that the ground state of these systems could be an exotic phase of matter called spin liquids. I present our initial results toward the realization and characterization of these exotic phases.Finally, we investigated quench experiments. We first demonstrated that, as predicted by recent theoretical works, the dipolar XY model can produce spin-squeezed states. These squeezed states are particularly interesting in the context of quantum metrology, as they can improve the sensitivity of measurements. We characterized this squeezing, showing that it is scalable, meaning that its metrological gain (squeezing parameter) increases with the system size. We also proposed different protocols that can be used for metrological applications. By using a quench spectroscopy method, we measured the dispersion relation of the dipolar XY model, revealing a characteristic behaviour predicted by theoretical works. This method is relatively general and can thus be applied to other quantum simulator platforms exhibiting different spin models.